一种扩展型桩头及施工方法 【技术领域】
本发明涉及一种作为建筑物深基础的桩，特别是指微型桩的桩头结构及其施工方法。
背景技术：
一般微型桩是采用2条至6条，大多数采用4条钢筋，钢筋直径为50mm的花纹高强钢筋，以20mm左右近距离捆梆在一起，用来作为桩身承载构件，由水泥浆及永久钢护筒做为保护层及辅助加强构件，主筋嵌入持力岩层一定深度的钻孔灌注桩，其地基承载力由岩孔、钢筋与水泥浆之间的黏结力提供。由于桩身直径小(香港地区一般不超过300MM直径)、含钢量高、承载力相对较高、和施工机械占地面积小、重量轻、施工环境的适应能力强而在香港地区广为采用。由于桩主筋直径大，若采用直线段主筋在承台内锚固，必然导致承台的厚度不合理地增加。
为避免钢筋锚固长度问题而增加承台厚度，微型桩桩头所采用的结构集中于两种形式：
一是采用一块大约500X500X50mm厚的水平钢板加一十字形的竖向加强钢板再与微型桩主筋焊接在一起，以局部承压形式传递荷载，此种桩头由于需要对不同于微型桩主筋的厚身钢板进行切割、钻孔、吊运及大量焊接工作，又由于桩头位置贴近地面，地盘焊接工作非常困难，巨型桩头板之下的承台混凝土位于死角范围内难以振捣，所以桩头钢板和承台底筋的保护层质量难以保证。以它不够H型钢桩承载力的一半，却拥有比H型钢桩还要重型的钢板桩头，其结构不合理，而且制作费用最贵。
二是采用微型桩主筋通过高技术、高强度特制螺栓连接一个弯勾位于承台顶部的相同直径的钢筋以使主筋能够在有限厚度承台内获得一个足够锚固长度，使荷载通过混凝土与钢筋之间的握裹力传递到微型桩主筋内，其缺点是螺栓连接必须事先在主筋上面车螺丝口，而螺丝口所在的竖向位置因为桩底标高在钻孔完成之前不能确定，螺栓连接的位置又必须错开，所以开料准确度要求高，备料时间拖后，特制螺栓的安装必须由专业公司施工，导致分期施工，工期拖长。由于微型桩尽量采用大直径的钢筋做主筋，而且各个钢筋紧密排列在一起，使钢筋与乘台混凝土的有效接触面缩小，令其在承台内所需地锚固长度自然要求很长，即使采用有弯勾的钢筋减少锚固长度，也因其需要的回转半径较大而导致承台平面尺寸必须放大来容纳此巨型弯勾，承台自重加大对桩的承载力要求自然也提高了。对于受压桩来讲，由于弯勾位置紧贴承台顶面，可能令到承台顶面很薄的保护层受到强大的剪切应力而使微型桩主筋有破壳而出的可能，所以结构不合理。
由于早期高强度花纹钢筋的含碳量较高，而不适于采用焊接技术作为钢筋的接驳手段，从而导致微型桩的桩头设计局限于上述两种不合理的结构形式长达数十年。钢筋生产和焊接技术发展至今，高强度花纹钢筋的各项化学成分含量和力学性能已经完全满足规范对焊接技术的要求，而且在许多工程实践中已经有相当多成熟的焊接案例，因此不论在设计桩头或施工方面都有进行彻底变革的需要。
发明内容：
本发明的目的在于公开一种扩展型桩头。该种桩头结构有效地降低桩头造价，桩头结构更加合理。
本发明的另一目的在于公开一种扩展型桩头的施工方法。
为了达到降低桩头造价和桩头结构更加合理的目的，本发明提出了具有强大锚固力的树根结构模型，在微型桩主筋顶部、承台厚度范围内焊接各种形状的扩展臂的方法，尽量使上述的钢筋远离桩的形心，以提高钢筋与混凝土的接触面积和降低荷载应力集中现象发生的机会，上述钢筋可以根据设计需要采用各种形状、直径、强度等级，甚至可以采用桩身或承台钢筋切割剩下的下脚料，其焊接位置可以在承台内上下一定范围内变化，使基坑开挖、桩头主筋切割和附加桩头构件制作可以一气呵成，达到结构合理、施工方便、缩短工期和降低成本的目的。
本发明的桩头结构类型按照桩身承受荷载的性质，可分为3大类： 按承受的荷载性质分为三大类荷载性质 压力 拉力压力或拉力相继发生桩头类型 1 2 3
类型一：由于桩荷载为压力和桩身主筋直线段所提供的锚固力不足以完全抵抗其所承受的压力，钢筋顶部剩余的荷载由附加锚固钢筋拉回到承台底部将最为合理，所以有两个典型方法加强钢筋锚固力，一是在主筋底部设置附加锚固钢筋，先行分流部分荷载储存于承台底部；二是在主筋近承台顶部位置设置向下、向外倾斜的附加锚固钢筋，以便把剩余荷载传向承台底部。
类型二：由于桩荷载为拉力和桩身主筋直线段所提供的锚固力不足以完全抵抗其所承受的拉力，钢筋顶部剩余的荷载由附加锚固钢筋挽留于承台顶部最为合理，所以有两个典型方法加强钢筋锚固力，一是在主筋顶部设置附加锚固钢筋；二是在主筋近承台底部位置设置向上、向外倾斜的附加锚固钢筋，以便把剩余荷载先行分流传向承台顶部部。
类型三：由于桩身不但承受压力而且还要承受拉力，所以必须对上述两种桩头结构进行合理组合，以保证桩头可以随时抵抗两个不同方向的荷载，避免桩身主筋贯穿或拉出较薄的桩承台。
本发明的技术方案是：一种扩展型桩头，包括一根以上的桩身主筋，该主筋的顶段部位于承台厚度范围内，其特征在于：在顶段部的外周固定有向外周延伸的扩展臂。
所述的主筋可以为一根钢筋、两根或三根钢筋，较多的情况为三至六根钢筋，根据需要，可以是六根以上的多根钢筋。
为了保持主筋与主筋之间的连接刚性，在所述的桩身主筋的中间设有加强筋板，所述的桩身主筋固定在该加强筋板上。
在所述的加强筋板上设有向外放射状的隔断板或钢筋，在隔断板之间放置有主筋，该主筋焊接固定在加强筋板和隔断板上。
所述的主筋的每一根的顶段部的外周固定有一根扩展臂、或一根以上的扩展臂。
该扩展臂为弯勾、斜勾、直勾、倒勾、直角形勾、半圆形勾、弓形勾以及与主筋有任意夹角的直线段钢筋独立或组合构成。
实施时，具体步骤作如下：
1.1按照桩身所受的荷载是压力、拉力或者压力和拉力的大小确定扩展臂的强度等级、直径、长度和焊缝厚度、长度等设计参数进行桩头结构设计。
1.2根据桩头结构设计制作扩展臂。
1.3待桩身的灌浆材料硬化到设计要求强度，开挖基坑，切割桩头设计标高之上的钢护筒和硬化的灌浆材料，桩身的主筋则按照设计保留一段小于承台厚度的直线长度。
1.4清除黏在钢筋表面的灌浆材料和钢筋表面的铁锈。
1.5按照设计图纸要求将扩展臂焊接在微型桩的主筋上，即成为本发明的扩展型桩头
附图说明：
图1是本扩展型桩头的实施例1的纵剖面图；
图2是本扩展型桩头的实施例2的纵剖面图；
图3是本扩展型桩头的实施例3的纵剖面图；
图4是本扩展型桩头的实施例4的纵剖面图；
图5是本扩展型桩头的实施例5的纵剖面图；
图6是本扩展型桩头的实施例6的纵剖面图；
图7是本扩展型桩头的实施例7的纵剖面图；
图8是本扩展型桩头的实施例8的纵剖面图；
图9是四根主筋二对一焊接的实施例沿图1的A-A处横断剖面图；
图10是四根主筋一对一焊接的实施例沿图1的A-A处横断剖面图；
图11是三根主筋一对一焊接的实施例沿图1的A-A处横断剖面图；
图12是六根主筋一对一焊接的实施例沿图1的A-A处横断剖面图；
具体实施方式：
见附图1～图8，图1和图2所示为受压桩的实施例，图3和图4所示为受拉桩的实施例，图5、图6、图7和图8所示为受拉和受压桩的实施例。
本实施例的扩展型桩头，包括四根主筋1，该四根主筋1按二二阵式排列，该四根主筋1中间固定有十字形的竖加强筋板3，十字形加强筋板3的每一个向限内焊接固定一根主筋1，主筋1与十字形的竖向加强钢板3焊接在一起；在主筋1的顶端部11处焊接固定扩展臂2，如图所示，该扩展臂2可以是各种形状，图中显示的扩展臂2的的远端部21的形状有弯勾、斜勾、直勾、倒勾、直角形勾、半圆形勾以及弓形勾等各种形状的附加锚固钢筋，附图中的桩头大样仅示意出几个典型的桩头结构，它可以派生出无数个不同尺寸、形状的扩展型桩头，以适合不同需要。该扩展臂2和加强钢板3均在承台4的包围范围内。
如图9所示，是四根主筋二对一焊接的实施例沿图1的A-A处横断剖面图，该实施例中，主筋1的四根主筋分别与“十”字形的竖向加强钢板3焊接在一起；在每根主筋1的外周焊接有两根扩展臂2，此种焊接模式为二对一焊接。
如图10所示，是四根主筋一对一焊接的实施例沿图1的A-A处横断剖面图，该实施例如图9所显示的实施例的区别在于，在每根主筋1的外周焊接有一根扩展臂2，此种焊接模式为一对一焊接，主筋1与扩展臂2之间形成有焊逢13。
如图11所示，是三根主筋一对一焊接的实施例沿图1的A-A处横断剖面图，该实施中公开一种由三根钢筋组成的主筋1，主筋1的三根主筋分别与“人”字形的竖向加强钢板3焊接在一起；在每根主筋1的外周焊接有一根扩展臂2。
如图12所示，是六根主筋一对一焊接的实施例沿图1的A-A处横断剖面图，该实施中公开一种由六根钢筋组成的主筋1，主筋1的六根主筋圆形排列在加强钢板3，该加强钢板3由纵向放置的圆形钢筒31和固定于圆形钢筒31外周，在所述的加强筋板(3)上设有向外放射状的隔断板32，在每一隔断板中间放置有一根主筋1，该主筋1焊接固定在加强筋板3和隔断板32上。在每根主筋1的外周焊接有一根扩展臂2。
实施时，上述的附加锚固钢筋2在承台4内尽量向桩身外面倾斜的办法：一是在主筋顶部设置附加锚固钢筋；二是在主筋近承台底部位置设置向上、向外倾斜的附加锚固钢筋。也可以采取在微型桩主筋顶部、承台厚度范围内焊接不同尺寸、不同形状的附加锚固钢筋。上述各实施例中所述的扩展型桩头结构，其使用的钢筋数量、尺寸、形状和强度等级，并不局限于插图所示样式，但必须按照具体设计施工。
附加锚固钢筋与微型桩主筋的焊接部分，采用贴角焊缝，也可采用直接对焊。
上述的附加锚固钢筋可以一对一与微型桩主筋焊接(参见图10)，也可采用二对一与微型桩主筋焊接(参见图9)。
扩展型桩头的施工(制作)方法如下：
1.首先完成桩身主体钢筋1的布置、绑扎，之后将它放置在予钻孔5或桩身护筒内，再灌以水泥浆或水泥砂浆或混凝土等灌浆材料；
2.待灌浆材料硬化到一定强度要求后，开挖基坑，切割桩头多余部分的硬化灌浆材料，保留主筋上部一段直线长度11；
3.清除钢筋表面的铁锈及黏在其表面的灌浆材料；
4.将扩展臂2焊接在微型桩的主筋1上，形成扩展型桩头。
本发明的优点：
1、由于本发明的桩头附加锚固钢筋在承台内尽量向桩身外围延伸，从而最大程度地避免桩荷载在承台内产生应力集中现象，同时使原承台中心范围内的大体积素混凝土无形之中增加了抗拉钢筋，减少了大体积混凝土收缩裂缝和搜集、传递混凝土水化热至微型桩主筋，迅速离开承台，减少承台内外温差，一物两用，结构合理；
2、结构简洁，传力线短直，设计参数容易取得，力学分析及构件结构设计方法简单成熟。
3、桩头结构形式多样化，可根据微型桩所受的荷载性质、大小灵活选用。
4、附加锚固钢筋的形状简单，普通技术工人和工具就可以现场制作或定型批量生产。
5、附加锚固钢筋资源丰富，甚至可以使用桩身和桩承台钢筋的下脚料，材料成本比钢板桩头及螺栓连接要低廉得多。由于采用有弯勾的附加锚固钢筋，桩身主筋进入承台的锚固长度可以大幅减小，承台厚度可以合理变薄。
6、本发明的桩头结构，不仅不影响承台底部钢筋的布置、绑扎，甚至可以作为顶部钢筋绑扎的临时支撑，一举两得。
7、由于本发明已经刻意让附加锚固钢筋向桩身外面倾斜，使荷载尽量向远处扩散，相当于把桩的直径扩大，从而承台的厚度不会因为桩头冲切荷载大而特意加厚承台，承台弯矩值也因为其支座面积加大而锐减，比使用先有桩头结构的承台造价方面又有一定程度的折减。
8、本发明的桩头结构制作，可以与桩基础施工工序分离，而归并于承台钢筋绑扎工序，可以充分利用桩身或承台钢筋切割剩下的下脚料，降低桩头材料成本，而且可以同时进行，缩短工期。
9、附加锚固钢筋与桩身的主筋焊接位置、方向不象原有技术那样要求严格，从而桩身的主筋平面位置和倾斜度就算有较大的施工误差，也不影响桩头的施工，出错机会和纠偏成本大幅度降低。
10、附加锚固钢筋与微型桩的主筋焊接位置离开地面一定距离， 适合工人施工，施工质量、速度可以幅提高。